CC BY
112
Труды Карельского научного центра РАН № 1. 2011. С. 37-47
УДК 630*165.3:582.475
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ФЕНОТИПИЧЕСКОГО И ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ СЕВЕРОТАЕЖНЫХ МАЛОНАРУШЕННЫХ ПОПУЛЯЦИЙ ЕЛИ ФИНСКОЙ (PICEA X FENNICA)
А. А. ИЛЬИНОВ,1 Б. В. РАЕВСКИЙ,1 О. А. РУДКОВСКАЯ,1 Л. В. ТОПЧИЕВА2
1 Институт леса Карельского научного центра РАН
2 Институт биологии Карельского научного центра РАН
В результате сравнительного анализа внутривидового разнообразия малонару-шенных популяций ели финской северотаежной подзоны обнаружено, что большим уровнем фенотипического разнообразия по интегральному показателю отличаются прибеломорские популяции (СУоб = 5,9 %) в сравнении с популяциями НП «Паанаярви» (СУоб = 4,7 %). Оценка формового разнообразия исследованных популяций по типу семенных чешуй показала, что их можно отнести к ели гибридной или финской, близкой к ели сибирской. Влияние ели европейской минимально и возрастает от паанаярвских ельников к прибеломорским. Генетический анализ, проведенный с помощью ПЦР-метода, показал, что использованные микросател-литные локусы полиморфны, для каждого из них обнаружено по 6 аллелей. Уровень генетического разнообразия прибеломорских популяций оказался ниже по сравнению с паанаярвскими, что противоречит результатам анализа фенотипической изменчивости. В целом уровень генетического разнообразия северокарельских популяций ели финской, оцененный с помощью микросателлитных маркеров, оказался невысоким и сравнимым с таковым, выявленным ранее по изофермент-ным локусам для карельских популяций ели финской.
Ключевые слова: малонарушенные популяции, фенотипическое разнообразие, генетическая структура, генетическое разнообразие, ПЦР, микросателлиты.
A. A. Ilyinov, B. V. Raevskiy, O. V. Rudkovskaya, L. V. Topchieva. COMPARATIVE ASSESSMENT OF THE PHENO- AND GENOTYPE DIVERSITY OF OLD-GROWTH NORTHERN TAIGA (PICEA X FENNICA) POPULATIONS
It was found that the level of phenotype variability for the White Sea coastal populations was higher (Cv = 5,9 %) than for Paanajarvi ones. This integrated coefficient of phenotype variability was calculated using all characters involved in the investigation. Paanajarvi populations were closely similar to each other in this respect, with this characteristic (Cv = 4,7 %) being at a minimum value compared to other spruce populations in Karelia. These north Karelian spruce populations should be classified as the introgressive hybrid P x fennica (Regel. Kom.) shifted closely to Picea obovata Ledeb. The influence of Picea abies (L.) Karst was minor, slightly growing from Paanajarvi towards White Sea coast (Pongoma populations). Genetic analysis carried out with polymerase chain reaction showed that microsatellite loci applied were polymorphic, each having 6 alleles per locus. In contrast with phenotype variability, the
level of genetic diversity for Pongoma populations was lower compared with Paanajarvi ones. On the whole, the level of genetic variability for spruce populations in the northern taiga subzone of Karelia revealed using microsatellite markers was low, and comparable with that found for Karelian P. x fennica populations using isozyme loci.
Key words: intact populations, phenotype variability, genetic structure, PCR,
microsatellites.
Введение
Территория Республики Карелия входит в состав обширной зоны интрогрессивной гибридизации Picea. abies L. Karst и P. obovata Ledeb. [Бобров, 1978]. Здесь преобладает в основном ель гибридная или финская P. x fennica (Regel) Kom. с примесью на севере и северо-востоке Карелии деревьев с признаками ели сибирской, а на юге и юго-западе - ели европейской [Бакшаева, 1966; Щербакова, 1975]. Это обстоятельство, а также важная средообразующая роль и высокое хозяйственное значение ели способствуют поддержанию устойчивого интереса исследователей к этому виду в регионе.
Ель отличается сравнительно высокой требовательностью к почвенно-гидрологическим условиям. Еловые леса в Карелии вследствие этого распространены крайне неравномерно -они сосредоточены в основном в южных и юговосточных районах [Виликайнен, 1953]. На севере Карелии ельники произрастают, главным образом, в отрогах хребта Маанселькя и в При-беломорье. Здесь сохранились малонарушен-ные еловые массивы, минимально затронутые хозяйственной деятельностью человека. Изучение подобных объектов имеет фундаментальное значение, поскольку позволяет получить информацию о генетических процессах в нативных популяциях древесных растений.
Цель исследования - провести сравнительную оценку фенотипического и генетического разнообразия, а также описать генетическую структуру нативных популяций ели финской, произрастающих на севере Карелии.
Материалы и методы исследования
Объектами исследования служили малона-рушенные еловые массивы северной подзоны тайги Республики Карелия (рис. 1). Для изучения фенотипической и генетической структуры были заложены по две пробы на территории национального парка «Паанаярви» (Паанаярви 1 и 2) и в прибеломорских ельниках, вблизи с. Поньгома (Поньгома 1 и 2). Кроме этого, до-
полнительно был взят материал для генетического анализа ели на границе леса и тундры на горе Кивакка (Кивакка 1 и 2, НП «Паанаярви») и на о. Пежостров в Белом море (Пежостров).
Пробные площади закладывались в соответствии с ОСТ 56-69-83 [1993]. На каждой ПП производилась нумерация деревьев с отметкой диаметра на высоте груди. Перечет насаждения осуществлялся по породам, ступеням толщины, а ели - по возрастным поколениям и типу ветвления. Диаметры замерялись мерной вилкой с точностью до 1 мм. На каждой пробной площади отбирали по 30 модельных деревьев ели, у которых с помощью высотомера ВН-1 с технически доступной для него точностью замерялась высота ствола, а также возрастным буравом брался керн у шейки корня для точного определения возраста.
На каждой ПП проводили описание напочвенного покрова: выявляли видовой состав тра-вяно-кустарничкового и мохово-лишайникового ярусов, оценивали проективное покрытие видов в процентах (табл. 1). На участке Поньгома 1 из числа видов, имеющих высокое проективное покрытие (больше 5 %), черника доминирует с небольшим отрывом в отличие от трех других исследованных проб. Сложившаяся на данной ПП структура травяно-кустарничкового яруса обусловлена контрастностью свойств почв, характером их увлажнения, что в свою очередь определяется варьированием условий микрорельефа в пределах пробной площади. Более низкие значения общего проективного покрытия травя-но-кустарничкового яруса в Паанаярви 2 и Поньгоме 2 (тип леса ельник черничный влажный) обусловлены повышенным увлажнением, о чем свидетельствует высокая доля участия видов рода Sphagnum в сложении мохово-лишайникового яруса обеих проб. Все выявленные виды напочвенного покрова типичны для ельников черничной группы, расположенных в северотаежной подзоне Карелии.
Для изучения особенностей фенотипического разнообразия исследовали изменчивость количественных признаков, характеризующих размеры и форму шишек и семенных чешуй, и чаще всего используемых в качестве диагностических
параметров для оценки внутривидового фенотипического разнообразия хвойных видов [Пу-тенихин, 1993]. Оценку уровня фенотипического разнообразия проводили с помощью интегрального показателя - обобщенного коэффициента вариации СУо6, предложенного Л. А. Животов-ским [1980] и учитывающего весь комплекс ис-
следуемых признаков. В качестве дополнительного критерия фенотипического разнообразия использовали анализ формовой структуры популяций по типу ветвления и типу семенной чешуи [Правдин, 1975], для чего на пробных площадях в проекции кроны отбирали шишки для анализа, в том числе и с модельных деревьев.
Рис. 1. Малонарушенные лесные массивы северной подзоны тайги Республики Карелия: 1 - национальный парк «Паанаярви»; 2 - прибеломорские ельники
Таблица 1. Проективное покрытие доминирующих видов напочвенного покрова исследованных ельников
Виды Паанаярви 1 Паанаярви 2 Поньгома 1 Поньгома 2
ПП, % ПП, % ПП, % ПП, %
Травяно-кустарничковый ярус
Vaccinium myrtillus L. 70 40 30 40
Vaccinium vitis-idaea L. 5 20 10
Ledum palustre L. 5
Empetrum nigrum L. 15
Vaccinium uliginosum L. 5
Rubus chamaemorus L. 10
Avenella flexuosa (L.) Drej. 7
Общее ПП травяно-кустарничкового яруса 75 45 70 55
Мохово-лишайниковый ярус
Hylocomium splendens (Hedw.) 75 15 60 60
Pleurozium schreberi (Brid.) Mitt. 20 30 20
Sphagnum ssp. 55 15
Общее ПП мохово-лишайникового яруса 95 95 80 80
Примечание. ПП - проективное покрытие.
Применение традиционных генетических зия ограничено в связи с низким уровнем меж-
маркеров, таких как изоферменты, при изуче- популяционного генетического разнообразия
нии внутривидового генетического разнообра- хвойных древесных видов. Проблему позволяет
решить микросателлитный анализ, основанный на применении в качестве маркеров коротких повторяющихся последовательностей ДНК - микросателлитов (SSR, single sequence repeats). Среди преимуществ этого метода -относительная простота в использовании и высокая информативность, позволяющая идентифицировать отдельные генотипы.
Изучение генетической структуры малона-рушенных популяций ели проводили с использованием образцов хвои текущего года, собранных с модельных деревьев. Анализ генетической структуры и оценку уровня генетического разнообразия исследованных популяций проводили с использованием 2 микросател-литных праймеров, характеризующихся высоким уровнем полиморфизма [Hodgetts et al., 2001; Scotti et al., 2002]. Фрагментный анализ ПЦР-продуктов проводили с помощью капиллярного электрофореза на приборе CEQ 8000 фирмы Beckman Coulter (США).
Основные показатели генетической изменчивости (число аллелей на локус А, эффективное число аллелей ne, полиморфность Р, на-
блюдаемая Но и ожидаемая Не гетерозигот-ность), а также анализ подразделенности AMOVA (analysis of molecular variance) и дифференциации (Dn) определяли с помощью программы GenAlEx 6.2 [Peakall, Smouse, 2006].
Результаты и обсуждение
Таксационные показатели коренных ельников. Паанаярвские и прибеломорские ельники произрастают в очень суровых климатических условиях [Громцев, 2003]. В то же время типы ландшафтов, элементами которых они являются, резко контрастируют по комплексу геоморфологических и почвенно-гидрологических показателей, что находит свое отражение в структуре лесного покрова. На территории НП «Паа-наярви» пробные площади закладывались в пределах елового массива в низкогорном северотаежном ландшафте. На побережье Белого моря исследования проводились в массиве ельников в равнинном сильнозаболоченном приморском ландшафте. Таксационные характеристики пробных площадей приведены в табл. 2.
Таблица 2. Таксационная характеристика пробных площадей
Показатели Паанаярви 1 Паанаярви 2 Поньгома 1 Поньгома 2
Широта, град. с. ш. 66,36 66,30 65,34 65,35
Долгота, град. в. д. 30,44 30,46 34,48 34,37
Высота над у. м., м 208 213 3 12
Общий состав 9,2Е 0,8Б 0,20с 9,3Е 0,7Б 1,0Е1403,9Е180 7,6Е 0,4С 2Б 0,2Е„3,9Е 6,6Е3,4Б 0,2Е603,9Е100
Возрастная структура еловой части 0,7Е1404,6Е180 3,9Е220 1 > v ■—140 > 180 4 4Е 220 v ! *-■—60 > 100 3,0Еі4о0,4Еіво v > 60 > 100 3,0Е„00,4Е1К)
Тип возрастной структуры относительно относительно абсолютно абсолютно
разновозр. разновозр. разновозр. разновозр.
Тип леса черничный черничный влажный воронично- черничный черничный влажный
Средний возраст, лет 194 194 120 125
Средний диаметр, см 25,9 22,6 17,7 16,8
Средняя высота, м 18,7 16,9 11,4 12,8
Запас, м3/га 179,1 157,8 68,4 134,9
Число стволов, шт./га 590 585 940 1505
Относительная полнота 0,68 0,46 0,56 0,88
Число стволов ели, шт./га 560 555 455 740
Относительная полнота елового яруса 0,63 0,41 0,38 0,52
Бонитет IV V Va Va
Анализ возрастной структуры (относительная и абсолютная разновозрастность, большой возраст деревьев ели) и других таксационных параметров рассматриваемых древостоев показывает, что они не испытали заметного антропогенного влияния, относятся к одному или очень близким типам леса и являются достаточно типичными в структуре лесного покрова соответствующих типов ландшафта. Таким образом, отобранные насаждения в наилучшей степени могут служить объектами для сравнительного изучения особенностей фенотипической и генотипической структуры коренных ма-лонарушенных ельников.
Фенотипическое разнообразие. Исследование фенотипического разнообразия проведено с привлечением комплекса количественных параметров, характеризующих размеры и форму шишек и семенных чешуй. Результаты анализа внутривидовой изменчивости на индивидуальном уровне (табл. 3) показали, что большинство количественных признаков ели характеризуются низкой и средней степенью варьирования по шкале С. А. Мамаева [1973]. Паанаярвские ельники отличаются минимальными средними значениями параметров шишек и семенных че-шуй по сравнению с прибеломорскими и во-длозерскими, а также с другими ранее иссле-
дованными ельниками Карелии [Ильинов, 1998]. Паанаярви 1 по этим признакам уступает даже популяциям Мурманской области, расположенным значительно севернее [Ильинов и др., 2006]. Здесь, скорее всего, проявляется влияние суровых климатических условий. Паа-наярви 2 по большинству признаков шишек и чешуй достоверно превосходит Паанаярви 1, что, по нашему мнению, связано с более благоприятными условиями освещенности крон вследствие низкой полноты древостоя и не-
равномерного распределения деревьев на пробе. В Прибеломорье также выявлены различия между ценопопуляциями в размерах шишек и семенных чешуй. В то же время по относительным показателям (коэффициент формы шишки, относительная длина семенной чешуи и коэффициент Бакшаевой) достоверных различий между ельниками в пределах каждого региона не обнаружено, что может свидетельствовать о генетической близости ценопопуля-ций.
Таблица 3. Индивидуальная изменчивость количественных характеристик шишек и семенных чешуй в исследованных ценопопуляциях ели финской
Признаки Паанаярви 1 Паанаярви 2 Поньгома 1 Поньгома 2 Водлозе ро
M±m Cv M±m Cv M±m Cv M±m Cv M±m Cv
Диаметр шишки (D), мм 17,41±0,30 12,97 18,30±0,23 11,43 18,45±0,26 11,98 18,73±0,20 11,05 21,13±0,20 13,53
Длина шишки (L), мм 58,98±1,26 16,29 62,96±1,14 16,30 64,46±1,19 15,62 68,70±0,99 14,73 85,57±1,15 9,76
Коэфф. формы шишки (D/L) 0,30±0,01 12,03 0,30±0,01 14,89 0,30±0,01 13,58 0,28±0,01 12,09 0,25±0,01 11,83
Длина семенной чешуи, мм 16,48±0,27 12,45 17,30±0,19 9,96 17,82±0,25 12,13 18,08±0,19 10,72 20,78±0,22 10,60
Ширина семенной чешуи, мм 12,38±0,16 9,85 13,11±0,17 11,59 13,22±0,19 12,10 13,27±0,14 10,47 14,76±0,14 9,28
Относительная длина чешуи 0,76±0,01 7,59 0,76±0,01 7,66 0,75±0,01 10,36 0,74±0,01 10,78 0,71±0,01 8,31
Длина верхней части чешуи, мм 5,45±0,09 12,64 5,79±0,08 12,75 6,00±0,11 15,51 6,08±0,09 14,84 7,71±0,13 17,12
Коэффициент Бакшаевой* 0,88±0,01 10,78 0,89±0,01 13,98 0,91±0,02 16,33 0,92±0,01 13,92 1,07±0,01 11,20
Примечание. *по: [Правдин, 1975].
Сравнение паанаярвских и прибеломорских ельников, напротив, показало достоверность различий по всем признакам, в том числе и относительным. Обнаруживается определенная тенденция - при переходе к Поньгоме 1 и Поньгоме 2 увеличиваются абсолютные показатели шишек и семенных чешуй, шишки характеризуются более вытянутой формой с более вытянутыми верхушками семенных чешуй. Можно сказать, что прибеломорские популяции характеризуются усилением признаков ели европейской.
При исследовании внутривидовой структуры в качестве диагностических признаков с определенной долей условности могут быть использованы и некоторые габитуальные, в том числе тип ветвления. Они также могут использоваться при оценке фенотипической структуры популяции.
В популяциях ели описаны следующие формы по типу ветвления: 1) плоская; 2) щетковидная; 3) компактная; 4) гребенчатая; 5) неправильно-гребенчатая. Следует отметить, что па-анаярвские древостои отличаются узкой формой кроны, когда ветви первого порядка опускаются вниз и тесно прижимаются к стволу, что сильно затрудняет описание деревьев по типу ветвления. Тем не менее, в ельниках НП удалось выделить две формы по типу ветвления (рис. 2). В обеих популяциях доминируют плосковетвистые формы. В Паанаярви 1 на долю щетковидных елей приходится не более 5 %. В
Паанаярви 2 представленность щетковидных елей выше (10 %). По-видимому, это связано с лучшими условиями освещенности в данном ельнике вследствие неравномерного распределения деревьев на пробе. Другие формы елей по типу ветвления в паанаярвских популяциях не обнаружены.
Прибеломорские популяции характеризуются большим уровнем разнообразия по этому показателю. Здесь встречаются все четыре типа ветвления, причем в Поньгоме 1 преобладает плоский тип (40 %), а в Поньгоме 2 - уже щетковидный (50 %). Компактный тип ветвления максимально представлен в Поньгоме 1 -22 %, в Поньгоме 2 этот тип ветвления встречается единично. Гребенчатый тип ветвления составляет 8 и 9 % от общего числа деревьев для Поньгомы 1 и 2 соответственно. Таким образом, прибеломорские ельники характеризуются большим по сравнению с паанаярвскими ельниками уровнем формового разнообразия, оцененного по типу ветвления.
Форма семенных чешуй является главным диагностическим признаком, используемым при изучении внутривидового разнообразия и идентификации ели европейской, сибирской и их гибрида - ели финской [Правдин, 1975]. Поэтому представляется важным проанализировать формовую структуру популяций на основе различия между деревьями по типу семенных чешуй. Для большей точности был использован количественный показатель, характеризующий
вытянутость верхнего края семенной чешуи (коэф. Бакшаевой). Анализ показал (рис. 3), что исследованные малонарушенные ценопо-пуляции близки по формовой структуре и представлены в исследованных популяциях главным образом гибридами, близкими к ели
сибирской - от 87 % в Паанаярви 1 до 73 % в Поньгоме 2. Гибриды, близкие к ели европейской, составили в изученных популяциях от 13,5 до 24 %. Формы с четкими признаками че-шуй родительских видов (ели сибирской и ели европейской) встречались редко, от 1 до 2 %.
Рис. 2. Формовая структура популяций ели финской по типу ветвления
2,1 0,9 2,9
Паанаярви 1 Паанаярви2 Поньгома1 Поньгома2 Водлозеро □ P. obovata □ Р.х fennica о. □ Р.х fennica а. Я P. abies
Рис. 3. Формовая структура популяции ели финской по типу семенных чешуй в сравнении с популяцией из НП «Водлозерский»
В сравнении, в малонарушенной популяции из средней подзоны тайги (НП «Водлозерский»), уже доминируют гибриды, близкие к ели европейской (69 %). Следовательно, малонарушен-ные северокарельские популяции можно отнести к ели гибридной или финской, близкой к ели сибирской. Влияние ели европейской минимально и возрастает от паанаярвских ельников к прибеломорским и далее к водлозер-ским, что не противоречит обнаруженной ранее закономерности [Бакшаева, 1966; Щербакова, 1975; Ильинов, 1998].
Представляется важным рассмотреть, каким образом характеризуются исследованные популяции ели финской с точки зрения ее разнообразия на внутрипопуляционном уровне по всему комплексу рассмотренных количественных признаков. С этой целью для каждой популяции были определены обобщенные коэффициенты вариации СУо6. Оказалось, что паанаярвские ельники близки по этому показателю (рис. 4) и характеризуются минимальным уровнем фенотипического разнообразия (4,7 %). Сравнительно большими значениями интегрального показателя отличаются прибеломорские популяции, особенно Поньгома 1 (СУоб = 5,9 %), оказавшаяся близкой по этому показателю с популяцией из НП «Водлозерский».
Ранее с помощью обобщенного коэффициента вариации были изучены популяции ели финской в Карелии и смежных регионах [Ильинов, 1998; Ильинов и др., 2006]. Минимальные значения показателя были выявлены для мурманских популяций ели (СУоб = 2,5 %;), а также для кестеньгской популяции (СУоб = 4,4 %), на-
ходящейся в непосредственной близости от НП «Паанаярви». В то же время максимальными значениями характеризовались калеваль-ская (Карелия, северная подзона тайги) и под-порожская (Лениградская обл., южная подзона тайги) популяции - СУо6 = 9,3 и 9,4 % соответственно. Таким образом, не было обнаружено какой-либо закономерности в изменении уровня индивидуального варьирования по комплексу количественных признаков у ели финской со сменой районов обитания. По мнению M. A. Khalil [1974], интегральный показатель CVg6 отражает в определенной степени условия местообитания (особенности микрорельефа, микроклимата, почвы и т. п.). В нашем случае несомненный вклад в общий уровень фенотипического разнообразия вносят процессы интро-грессивной гибридизации.
Таким образом, анализ фенотипической изменчивости северных малонарушенных популяций ели финской позволил выявить определенную тенденцию - усиление влияния ели европейской от паанаярвских ельников к прибеломорским. В этом же направлении (с северо-запада на юго-восток) зафиксировано повышение уровня формового разнообразия по габитуаль-ным признакам. Обнаруженные особенности фенотипического разнообразия ели указывают на существенную роль процессов интрогрес-сивной гибридизации в дифференциации на фенотипическом уровне исследованных мало-нарушенных популяций ели финской.
Генетическое разнообразие малонарушен-ных популяций ели. Анализ генетической структуры показал (табл. 4), что оба использованных
Рис. 4. Уровень фенотипического разнообразия по обобщенному коэффициенту вариации СУоб популяций ели финской в сравнении с популяцией из НП «Водлозерский»
микросателлитных локуса, иАРэТ025 и ЕАТС2С06, оказались полиморфны только в паанаярвских ценопопуляциях ели финской. Для каждого из них обнаружено по 6 аллелей. В то же время прибеломорские ценопопуляции характеризовались меньшим аллельным разнообразием - по локусу иАРэТ025 они оказались мономорфными, а Поньгома 1 - и по локусу ЕАТС2С06. Как в паанаярвских, так и в при-беломорских ельниках большинство генотипов представлено гомозиготами по одному основному аллелю: 104/104 и 139/139 по локусу иАРэТ025 и ЕАТС2С06 соответственно. В то же время в одной прибеломорской и трех паана-ярвских ценопопуляциях выявлены уникальные аллели (см. табл. 4).
Результаты анализа генетического разнообразия малонарушенных популяций ели финской представлены в табл. 5. Практически по
всем параметрам генетической изменчивости паанаярвские популяции превосходят прибе-ломорские. Особенно высоким уровнем генетического разнообразия отличается популяция, расположенная на горе Кивакка на границе леса и тундры (Кивакка 1). Напротив, немногочисленная группа низкорослых деревьев, произрастающих на вершине горы Кивакка в горной тундре на высоте 400-450 м н. у. м. (Ки-вакка 2), характеризуется минимальными для паанаярвских ельников показателями генетической изменчивости, что можно объяснить крайне суровыми, экстремальными даже для самого холодного климатического района Карелии условиями произрастания, когда выживают лишь единичные экземпляры. Из прибе-ломорских популяций наибольшим уровнем генетической изменчивости характеризуется Поньгома 1.
Таблица4. Генетическая структура малонарушенных популяций ели финской, выраженная в частотах аллелей микросателлитных локусов иАРвТ025 и ЕАТС2С06
Популяции
Аллели Паанаярви 1 Паанаярви 2 Кивакка 1 Кивакка 2 Поньгома 1 Поньгома 2 Пежостров
иАРвТ025
п 30 31 29 10 30 30 30
100* 0,050 0,016
104 0,950 0,952 0,845 0,900 1,000 1,000 1,000
110 0,050
112 0,017
114 0,016 0,138 0,050
116 0,016 ЕАТС2С06
п 30 31 29 10 30 30 30
136 0,133 0,065 0,138 0,117 0,017
139 0,733 0,839 0,724 0,950 0,800 1,000 0,933
151 0,017
154 0,034 0,050 0,017 0,033
157 0,133 0,081 0,103 0,067
160 0,016
Примечание. п - количество проанализированных генотипов; * аллели обозначены по длине фрагмента ДНК.
Таблица 5. Уровень генетического разнообразия в популяциях ели финской в Карелии, выявленный с помощью микросателлитных локусов иАРвТ025 и ЕАТС2С06
Кол-во генотипов Среднее число аллелей на локус, (А) Эффективное число аллелей (пд) Число уникальных аллелей Полиморф-ность (Р), % Гетерозиготность
Популяции ожидаемая (Не) наблюдаемая (Но)
НП «Паанаярви»
Паанаярви 1 30 2,5±0,5 1,42±0,32 - 100 0,26±0,17 0,28±0,17
Паанаярви 2 31 4,0±0,1 1,25±0,15 2 100 0,19±0,10 0,18±0,10
Кивакка 1 29 3,5±0,5 1,58±0,22 1 100 0,36±0,09 0,24±0,09
Кивакка 2 10 2,5±0,5 1,17±0,06 1 100 0,14±0,05 0,15±0,05
Поньгома 1 30 2,5±1,5 Прибеломо 1,26±0,26 рье 50 0,17±0,17 0,15±0,15
Поньгома 2 30 1,0±0,0 1,00±0,01 - 0 - -
Пежостров 30 2,5±1,5 1,07±0,07 1 50 0,06±0,06 0,07±0,06
Ранее при изучении двух ценопопуляций ели финской из НП «Водлозерский» с помощью изо-ферментного анализа нами было обнаружено, что лучшим условиям произрастания соответствует более высокий уровень аллозимного внут-
рипопуляционного разнообразия. С. Н. Велисе-вич с соавт. [2008] на основе анализа изоферментов сосны кедровой сибирской в Томской обл. выявили снижение уровня гетерозиготно-сти в популяциях при ухудшении почвенно-
гидрологических условий. В. А. Путенихин с со-авт. [2005], изучая с помощью аллозимного анализа генетическую структуру популяций ели сибирской на Южном Урале, связали снижение уровня внутрипопуляционной генетической изменчивости в направлении от горных к равнинным популяциям с усилением процессов интро-грессивной гибридизации, сопровождающимся возрастанием влияния ели европейской.
Таким образом, различия в уровне генетического разнообразия паанаярвских и прибе-ломорских ценопопуляций можно объяснить как особенностями условий произрастания в исследованной части ареала ели финской, так и различным соотношением микроэволюцион-ных процессов в популяциях, среди которых, несомненно, одно из главных мест принадлежит интрогрессивной гибридизации. В целом уровень генетического разнообразия в исследованных популяциях ели финской, выраженный показателями гетерозиготности Не и Но, оказался достаточно высоким и сравнимым с таковыми, выявленными по изоферментным локусам для других популяций Р. х feппica
[Потенко и др., 1993], а также других видов хвойных, в том числе и елей [Nevo et al., 1984; Алтухов и др., 1989].
Представляет интерес анализ подразделен-ности - изучение структуры всей генетической изменчивости, выявленной для северокарельских популяций. Результаты анализа AMOVA представлены в табл. 6. На долю индивидуальной (между отдельными генотипами) изменчивости приходится наибольшая доля (более 89 %). Интересно, что примерно одинаковыми оказались доли экологической (различия между пробами в регионах) и географической (различия между районами исследования) составляющих общей генетической изменчивости. Таким образом, уровень генетической дифференциации между исследованными малонару-шенными северокарельскими популяциями оказался невысоким, большая часть выявленного генетического разнообразия приходится на внутрипопуляционную составляющую, что свидетельствует о генетической близости популяций и характерно для популяций большинства хвойных видов таежной зоны.
Таблица 6. Результаты AMOVA (Analysis of Molecular Variance) анализа общего генетического разнообразия в северокарельских малонарушенных популяциях ели финской
Число степеней Сумма квадра- Среднее квадр. Доля в общей Доля в общей
Источник разнообразия свободы тов отклонений откл. дисперсии, дисперсии
df SSD MSD=SSD/df абс. значения в %
Между регионами (географическая изменчивость) 1 3,273 3,273 0,023 5,3
Между популяциями (экологическая изменчивость) 5 5,112 1,022 0,024 5,4
Внутри популяций (индивидуальная изменчивость) 183 71,825 0,392 0,392 89,3
Общая генетическая изменчивость 189 80,211 0,439 100,0
Уровень межпопуляционной генетической дифференциации количественно оценивали с помощью вычисления генетических дистанций Неи [Ые1, 1975]. Более наглядно результаты этих вычислений можно представить в виде дендрограммы сходства, построенной на основе матрицы расстояний с помощью метода иРвМА. На дендрограмме (рис. 5) выделяется Кивакка 1 наибольшей обособленностью от остальных северокарельских популяций. Представляет интерес генетическая близость между популяциями Паанаярви 2 и Поньгома 1, а также пробы Кивакка 2 с прибеломорскими популяциями. За этим исключением, выявленная популяционная структура не противоречит географическому расположению северокарельских малонарушенных популяций ели финской. Обособленность популяции Кивакка 1 объясняется, вероятно, ее положением на границе леса и тундры. Согласно существующим данным относительно соответствия генетического
расстояния внутривидовому статусу [Алтухов и др., 1989], значения дистанций Неи до 0,007 соответствуют генетическому расстоянию между субпопуляциям, от 0,008 до 0,013 - между локальным популяциям. Таким образом, выборки из НП «Паанаярви» и Прибеломорья соответствуют субпопуляциям, входящим в состав двух локальных популяций - паанаярвской и прибеломорской. Отсутствие изоляционных барьеров с другими паанаярвскими субпопуляциями не позволяет отнести Кивакка 1 к отдельной локальной популяции, несмотря на ее генетическую обособленность.
Заключение
Своеобразие популяционной структуры ели финской в исследованной части ареала может быть следствием ряда факторов, среди которых, несомненно, главную роль играют процессы интрогрессивной гибридизации ели
Рис. 5. Дендрограмма сходства северокарельских популяций ели финской по генетическим расстояниям Неи(йм)
сибирской и ели европейской. Для более обоснованных выводов необходимы дальнейшие исследования с привлечением большего количества микросателлитных локусов. Однако несмотря на то, что в работе были использованы только два полиморфных микросателлитных праймера, они позволили выявить особенности генетической структуры, обнаружить неоднородность внутривидового генетического разнообразия изученных популяций ели финской, оценить степень их дифференциации. Следовательно, микросателлитные локусы могут с успехом применяться в изучении внутривидового разнообразия лесных древесных видов, в том числе и ели европейской, включая ее гибриды с елью сибирской.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Биологическое разнообразие».
Литература
Алтухов Ю. П., Крутовский К. В., Духарев В. А. и др. Биохимическая генетика популяций лесных древесных растений // Лесная генетика, селекция и физиология древесных растений: Материалы Меж-дунар. симп. Воронеж, 1989. С. 16-24.
Бакшаева В. И. Изменчивость и формовое разнообразие ели в Карелии: автореф. дис. ...канд. Петрозаводск, 1966. 22 с.
Бобров Е. Г. Лесообразующие хвойные СССР. Л.: Наука, 1978. 189 с.
Велисевич С. Н., Петрова Е. А., Бендер О. Г., Зоти-кова А. П. Формирование структуры популяций сосны кедровой сибирской (Pinus sibirica Du Tour) в заболоченных экотопах юга Томской области // Вестник Томск. гос. унив. Биология. 2008. № 1 (2). С. 13-22.
Виликайнен М. И. Еловые леса Карело-Финской ССР и характеристика их флористического состава: автореф. дис. ...канд. Петрозаводск, 1953. 22 с.
Громцев А. Н. Ландшафтные эталоны коренных лесов // Разнообразие биоты Карелии: условия формирования, сообщества, виды. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2003. С. 55-60.
Животовский Л. А. Меры популяционной изменчивости комплекса количественных признаков // Журнал общей биологии. 1980. Т. XLI. № 2. С. 177-191.
Ильинов А. А. Внутривидовая изменчивость и популяционная структура ели финской Picea. x fennica (Regel) Kom. в Карелии: автореф. дис. .канд. Петрозаводск, 1998. 25 с.
Ильинов А. А., Политов Д. В., Исаева Л. В. Фенотипическая и генетическая структура популяций ели финской в условиях промышленного загрязнения в Мурманской обл. // Матер. Междунар. конф. «Соврем. эколог. пробл. Севера». Апатиты, 2006. С. 123-128.
Ипатов В. С., Кирикова Л. А. Фитоценология. СПб.: Изд-во С.-Петербург. ун-та, 1999. 316 с.
Мамаев С. А. Формы внутривидовой изменчивости древесных растений (на примере семейства Pinaceae на Урале). М.: Наука, 1973. 282 с.
Потенко В. В., Ильинов А. А., Гончаренко Г. Г. Изучение генетической дифференциации популяций ели в Карелии с использованием метода изофер-ментного анализа // Селекция и семеноводство в Карелии. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 1993. С. 66-76.
Правдин Л. Ф. Ель европейская и ель сибирская в СССР. М.: Наука, 1975. 180 с.
Путенихин В. П. Лиственница Сукачева на Южном Урале (изменчивость, популяционная структура и сохранение генофонда). Уфа: УНЦ РАН, 1993. 195 с.
Путенихин В. П., Шигапов З. Х., Фарукшина Г. Г. Ель сибирская на Южном Урале и в Башкирском Предуралье (популяционно-генетичсекая структура). Ботанический сад-институт Уфимского НЦ РАН. М.: Наука, 2005. 180 с.
ОСТ 56-69-83. Площади пробные лесоустроительные. Методы закладки. Порядок рассмотрения
и утверждения возрастов рубок главного пользования лесом. Приказ Рослесхоза от 28.05.93 № 134.
Щербакова М. А. Генэкологические особенности ели в северо-западной части ее ареала // Вопр. ле-совед. и лесоводства в Карелии. Петрозаводск, 1975. С. 154-177.
Hodgetts R. B., Aleksiuk M. A., Brown A. et al. Development of microsatellite markers for white spruce (Picea glauca) and related species // Theor. Appl. Genet. 2001. Vol. 102. P. 1252-1258.
Khalil M. A. Genetics of cone morphology in white spruce (Picea glauca) // Can. J. Bot. 1974. V. 52, N 1. P. 15-21.
Nei M. Molecular population genetics and evolution. Amsterdam: Holland Press, 1975. 278 p.
Nevo E., Beilis A., Ben-Shlomo R. The evolutionary significance of genetic diversity: ecological, demographic and life history correlates // Evolutionary Dynamics of Genetic Diversity. Springer, 1984. P. 13-213.
Peakall R., Smouse P. E. GENALEX 6: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research. Molecular Ecology Notes. 2006. N 6. P. 288-295.
Scotti I., Magni F., Pagila G. P., Morgante M. Trinucleotide microsatellites in Norway spruce (Picea abies): their features and development of molecular markers // Theor. Appl. Genet. 2002. Vol. 106. P. 40-50.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:
Ильинов Алексей Алексеевич
научный сотрудник, к. с.-х. н.
Институт леса Карельского научного центра РАН
ул. Пушкинская, 11, Петрозаводск, Республика Карелия,
Россия, 185910
эл. почта: [email protected]
тел.: (8142) 768160
Раевский Борис Владимирович
старший научный сотрудник, к. с.-х. н.
Институт леса Карельского научного центра РАН
ул. Пушкинская, 11, Петрозаводск, Республика Карелия,
Россия, 185910
эл. почта: [email protected]
тел.: (8142) 768160
Рудковская Оксана Алексеевна
младший научный сотрудник, к. б. н.
Институт леса Карельского научного центра РАН
ул. Пушкинская, 11, Петрозаводск, Республика Карелия,
Россия, 185910
эл. почта: [email protected] тел.: (8142) 768160
Топчиева Людмила Владимировна
старший научный сотрудник, к. б. н.
Институт биологии Карельского научного центра РАН
ул. Пушкинская, 11, Петрозаводск, Республика Карелия,
Россия, 185910
эл. почта: [email protected]
тел.: (8142) 571879
Ilyinov, Alexey
Forest Research Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Science
11 Pushkinskaya St., 185910 Petrozavodsk,
Karelia, Russia
e-mail: [email protected]
tel.: (8142) 768160
Raevskiy, Boris
Forest Research Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Science
11 Pushkinskaya St., 185910 Petrozavodsk,
Karelia, Russia
e-mail: [email protected]
tel.: (8142) 768160
Rudkovskaya, Oksana
Forest Research Institute, Karelian Research Centre, Russian Academy of Science
11 Pushkinskaya St., 185910 Petrozavodsk,
Karelia, Russia
e-mail: [email protected] tel.: (8142) 768160
Topchieva, Lyudmila
Institute of Biology, Karelian Research Centre, Russian Academy of Science
11 Pushkinskaya St., 185910 Petrozavodsk,
Karelia, Russia
e-mail: [email protected]
tel.: (8142) 571879
